低矮建筑斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載研究

低矮建筑斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載研究1引言1.1背景介紹與分析隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生的能源，其開(kāi)發(fā)和利用受到了世界各國(guó)的關(guān)注。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的一種重要方式，在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。尤其是在低矮建筑的斜屋頂上，安裝光伏電站既能有效利用屋頂空間，又能減少對(duì)環(huán)境的影響。然而，斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載是一個(gè)不可忽視的重要因素。由于低矮建筑的斜屋頂光伏電站受風(fēng)面積大，風(fēng)荷載可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，因此，研究其設(shè)計(jì)風(fēng)荷載對(duì)于確保光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。1.2研究目的與意義本研究旨在深入分析低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載特性，提出合理的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。通過(guò)研究，可以提升斜屋頂光伏電站的抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平，降低因風(fēng)荷載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)，確保光伏電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，研究成果對(duì)于提高我國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)光伏發(fā)電在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義。1.3研究方法與技術(shù)路線(xiàn)本研究采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載進(jìn)行深入研究。具體技術(shù)路線(xiàn)如下：分析斜屋頂光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其風(fēng)荷載影響因素，為后續(xù)風(fēng)荷載計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究風(fēng)荷載計(jì)算模型與理論依據(jù)，結(jié)合流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，建立適用于低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載計(jì)算方法。利用數(shù)值模擬方法，模擬不同工況下的風(fēng)荷載分布，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)風(fēng)荷載的影響。開(kāi)展斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)荷載計(jì)算方法?；谘芯拷Y(jié)果，提出斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載設(shè)計(jì)建議，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。2斜屋頂光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及風(fēng)荷載影響因素2.1斜屋頂光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)斜屋頂光伏電站是低矮建筑中常見(jiàn)的一種形式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：斜屋頂光伏電站結(jié)合了斜屋頂?shù)臉?gòu)造特點(diǎn)和光伏組件的安裝要求，通過(guò)特殊的支架系統(tǒng)，將光伏組件固定在斜屋頂上，形成一種具有良好穩(wěn)定性和承載能力的結(jié)構(gòu)體系。材料選擇：斜屋頂光伏電站的光伏組件通常選用高強(qiáng)度的晶體硅太陽(yáng)能電池，具有良好的耐候性和耐腐蝕性，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。安裝角度：斜屋頂?shù)膬A斜角度可以根據(jù)地理位置、氣候條件和太陽(yáng)輻射角度進(jìn)行調(diào)整，以獲得最大的發(fā)電效率。通風(fēng)與散熱：斜屋頂設(shè)計(jì)有利于光伏組件的通風(fēng)和散熱，降低工作溫度，提高光伏組件的發(fā)電效率和壽命。適應(yīng)性：斜屋頂光伏電站可適應(yīng)各種低矮建筑，包括民用住宅、商業(yè)建筑等，具有廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)濟(jì)效益：斜屋頂光伏電站可以利用建筑空間，降低土地使用成本，同時(shí)還能節(jié)省能源，減少碳排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。2.2風(fēng)荷載影響因素斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載受到多種因素的影響，以下為主要影響因素：2.2.1風(fēng)速與風(fēng)向風(fēng)速和風(fēng)向?qū)π蔽蓓敼夥娬镜娘L(fēng)荷載具有直接影響。不同風(fēng)速和風(fēng)向條件下，風(fēng)荷載的大小和分布存在顯著差異。例如，正面風(fēng)（順風(fēng)）和側(cè)面風(fēng)（橫風(fēng)）對(duì)光伏電站的穩(wěn)定性影響不同。2.2.2建筑物高度與形狀建筑物的高度和形狀決定了風(fēng)流的流場(chǎng)特性，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的大小。低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載與建筑物的高度、屋頂形狀、邊緣輪廓等因素密切相關(guān)。2.2.3光伏組件布置與連接方式光伏組件的布置方式和連接方式也會(huì)影響風(fēng)荷載。例如，光伏組件之間的間距、傾斜角度以及與屋頂?shù)倪B接方式等，都會(huì)對(duì)風(fēng)荷載的分布和大小產(chǎn)生一定的影響。在斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮這些影響因素，有助于提高電站的穩(wěn)定性和安全性。3風(fēng)荷載計(jì)算模型與理論3.1風(fēng)荷載計(jì)算模型低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載計(jì)算模型主要包括以下幾種：基于流體力學(xué)的基本原理，結(jié)合建筑物的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，以及考慮光伏組件的特殊性所建立的模型。首先，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)建筑物及光伏組件周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行模擬，分析流場(chǎng)特性。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證與修正。風(fēng)荷載計(jì)算模型主要包括以下幾種：粘性模型：考慮空氣粘性對(duì)風(fēng)荷載的影響，適用于低風(fēng)速條件下的風(fēng)荷載計(jì)算。壁面效應(yīng)模型：考慮建筑物表面與光伏組件對(duì)風(fēng)流的約束作用，分析風(fēng)荷載在建筑物表面的分布特性。風(fēng)場(chǎng)模擬模型：根據(jù)實(shí)際地形和建筑物布局，模擬風(fēng)場(chǎng)分布，分析不同風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)風(fēng)荷載的影響。3.2理論依據(jù)3.2.1流體力學(xué)基本原理流體力學(xué)基本原理是研究風(fēng)荷載計(jì)算的基礎(chǔ)。在風(fēng)荷載計(jì)算中，主要運(yùn)用以下流體力學(xué)原理：伯努利方程：描述了流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度、壓力和高度之間的關(guān)系，用于分析風(fēng)壓在建筑物表面的分布。湍流模型：考慮風(fēng)場(chǎng)中湍流對(duì)風(fēng)荷載的影響，提高風(fēng)荷載計(jì)算的準(zhǔn)確性。3.2.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理在風(fēng)荷載計(jì)算中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面：動(dòng)力響應(yīng)分析：根據(jù)建筑物和光伏組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。陣風(fēng)響應(yīng)因子：考慮陣風(fēng)特性，對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行放大處理，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。3.2.3相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)荷載計(jì)算中，需遵循以下規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）：規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的計(jì)算方法、取值范圍等?！豆夥l(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50797-2012）：針對(duì)光伏電站的設(shè)計(jì)要求，提供了風(fēng)荷載計(jì)算的相關(guān)規(guī)定?！讹L(fēng)荷載規(guī)范》（GB50016-2014）：針對(duì)各類(lèi)建筑物的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)，提供了詳細(xì)的技術(shù)要求。通過(guò)以上理論依據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算與分析，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。4低矮建筑斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬作為研究低矮建筑斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載的重要手段，可以有效地分析風(fēng)荷載在各種因素影響下的分布與變化。本研究采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法進(jìn)行數(shù)值模擬，利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。主要步驟包括：建立模型：根據(jù)實(shí)際低矮建筑斜屋頂光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立準(zhǔn)確的幾何模型，并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，以提高計(jì)算精度。邊界條件與參數(shù)設(shè)置：設(shè)置入口邊界為速度入口，出口邊界為壓力出口，上下邊界為對(duì)稱(chēng)邊界。同時(shí)，考慮實(shí)際風(fēng)速剖面和湍流特性，設(shè)置合理的風(fēng)速和湍流參數(shù)。物理模型與數(shù)值方法：選用適合的湍流模型，如k-ε模型或LES模型，并采用二階迎風(fēng)格式離散控制方程，以獲得更精確的模擬結(jié)果。光伏組件模擬：考慮光伏組件的布置與連接方式，對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)修改，以反映實(shí)際風(fēng)荷載情況。4.2模擬結(jié)果與分析4.2.1不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載分布通過(guò)數(shù)值模擬，分析了不同風(fēng)速下低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載分布。結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)荷載呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)。在背風(fēng)面和兩側(cè)面，風(fēng)荷載分布較為均勻；而在迎風(fēng)面，風(fēng)荷載分布呈現(xiàn)局部集中的特點(diǎn)。4.2.2不同風(fēng)向下的風(fēng)荷載分布改變風(fēng)向，對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載分布進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，風(fēng)向?qū)︼L(fēng)荷載分布具有顯著影響。當(dāng)風(fēng)向垂直于屋頂時(shí)，風(fēng)荷載分布較為均勻；而當(dāng)風(fēng)向與屋頂斜向呈一定角度時(shí)，風(fēng)荷載分布呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，且在某一特定角度下，風(fēng)荷載達(dá)到最大值。4.2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)風(fēng)荷載的影響通過(guò)對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了優(yōu)化措施對(duì)風(fēng)荷載的影響。結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在相同風(fēng)速和風(fēng)向條件下，風(fēng)荷載分布更加均勻，風(fēng)荷載值有所降低。具體優(yōu)化措施包括：調(diào)整光伏組件布置方式、增加建筑物的阻風(fēng)面積、改善建筑物形狀等。這些優(yōu)化措施可以為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。5斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載的實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的重要手段。本研究選用了一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置，包括以下部分：實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞：采用開(kāi)口回流式風(fēng)洞，其尺寸為寬1.5m、高1.2m、長(zhǎng)15m，能夠提供穩(wěn)定且可控的風(fēng)速。模型制作：根據(jù)相似性原理，制作了斜屋頂光伏電站的縮尺模型，模型與實(shí)物比例為1:50，確保了模型與原型之間的氣動(dòng)相似性。測(cè)力傳感器：在模型相應(yīng)位置安裝了高精度的測(cè)力傳感器，用以測(cè)量不同風(fēng)速和風(fēng)向下的風(fēng)荷載。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時(shí)記錄風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變風(fēng)速和風(fēng)向，模擬不同工況下的風(fēng)荷載作用。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.2.1風(fēng)速與風(fēng)向?qū)︼L(fēng)荷載的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)速是影響風(fēng)荷載大小的關(guān)鍵因素。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)荷載顯著增大，且風(fēng)荷載與風(fēng)速之間并非線(xiàn)性關(guān)系。風(fēng)向?qū)︼L(fēng)荷載的分布特性有顯著影響，迎風(fēng)面的風(fēng)荷載明顯大于背風(fēng)面。5.2.2不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)風(fēng)荷載的影響通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式斜屋頂光伏電站模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)屋頂坡度、屋面材料、光伏組件的安裝角度等因素均會(huì)影響風(fēng)荷載的大小和分布。斜度越大，風(fēng)荷載越大；光滑的屋面材料可以減小風(fēng)荷載；合理設(shè)置光伏組件的安裝角度可以有效降低風(fēng)荷載。5.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)與第四章數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析?？傮w來(lái)看，兩者在變化趨勢(shì)上具有較好的一致性，但在具體數(shù)值上存在一定差異。這可能是由于數(shù)值模擬中簡(jiǎn)化了某些實(shí)際因素，如流場(chǎng)的復(fù)雜性、建筑物的細(xì)微結(jié)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。6斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載設(shè)計(jì)建議6.1設(shè)計(jì)原則與依據(jù)在設(shè)計(jì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：確保結(jié)構(gòu)安全：根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保證光伏電站在各種風(fēng)速和風(fēng)向作用下，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。經(jīng)濟(jì)合理：在滿(mǎn)足安全性的前提下，盡可能降低風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，減少工程投資?？紤]地區(qū)特點(diǎn)：根據(jù)電站所在地的氣候條件和地理環(huán)境，合理確定風(fēng)荷載取值。設(shè)計(jì)依據(jù)主要包括：國(guó)家和行業(yè)相關(guān)規(guī)范，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范》等。研究成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括本文第五章的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。數(shù)值模擬分析，如第四章所述。6.2設(shè)計(jì)方法與步驟確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速：根據(jù)電站所在地的氣象資料，確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速。計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：根據(jù)流體力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值?？紤]風(fēng)荷載組合：根據(jù)光伏電站的使用壽命和可靠性要求，考慮不同風(fēng)速、風(fēng)向和結(jié)構(gòu)形式下的風(fēng)荷載組合。確定風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值：結(jié)合設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和風(fēng)荷載組合，確定風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值。檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全性：根據(jù)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，對(duì)光伏電站的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢驗(yàn)。6.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施為降低風(fēng)荷載對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的影響，可以采取以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施：合理布置光伏組件：根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速條件，優(yōu)化光伏組件的布置方式，降低風(fēng)荷載。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接：提高光伏組件與屋頂結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，減小風(fēng)振效應(yīng)。優(yōu)化屋頂形狀：根據(jù)流體力學(xué)原理，優(yōu)化屋頂形狀，降低風(fēng)阻系數(shù)。采用減震措施：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用減震裝置或減震材料，降低風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。增加結(jié)構(gòu)剛度：提高屋頂結(jié)構(gòu)的剛度，減小風(fēng)荷載作用下的變形。通過(guò)以上設(shè)計(jì)建議和結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可以有效地降低低矮建筑斜屋頂光伏電站的風(fēng)荷載，提高電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。7結(jié)論7.1研究成果總結(jié)通過(guò)對(duì)低矮建筑斜屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載研究，本文取得以下成果：分析了斜屋頂光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確了風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物高度與形狀、光伏組件布置與連接方式等因素對(duì)風(fēng)荷載的影響；介紹了風(fēng)荷載計(jì)算模型與理論，包括流體力學(xué)基本原理、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理以及相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究了不同風(fēng)速、風(fēng)向以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)風(fēng)荷載分布的影響，為實(shí)際工程提供了參考依據(jù)；進(jìn)行了斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并分析了風(fēng)速、風(fēng)向以及不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)風(fēng)荷載的影響；提出了斜屋頂光伏電站風(fēng)荷載設(shè)計(jì)原則、方法與步驟，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施